Tutorial - Redes

Uma rede local pode ser distinguida de uma outra através das aplicações pretendidas e serviços oferecidos, da topologia da rede, do meio de transmissão e da sua arquitetura de protocolo.

As Redes Locais foram desenvolvidas para das suporte a vários tipos de aplicações, incluindo entre elas: aplicações para transmissão de dados e/ou voz e/ou vídeo, comunicações entre terminais e computadores, comunicações entre computadores, controle de processos e automação de escritório, entre outras.

Qualquer que seja a aplicação, vários fatores devem ser levados em consideração, dentre eles: dispersão geográfica, ambiente de operação, número máximo de nós, separação máxima e mínima entre os nós, tempo de resposta, tipo de informação transmitida, tipo de interação entre dispositivos, taxa máxima de informação transmitida, confiabilidade exigida, tipo de tráfego (regular ou rajada) e outros fatores a cada aplicação.

1. Tipos de Aplicações

As Redes Locais têm em geral três domínios de aplicações quanto a cobertura geográfica: uma única sala(por exemplo, para compartilhamento de dispositivos especiais entre vários computadores), dentro de um edifício(por exemplo, na integração de um serviço de escritório), ou mesmo uma área coberta por vários edifícios(por exemplo, um campus universitário, uma fábrica, ou uma pequena cidade). A dispersão geográfica, como veremos, é fundamental na escolha da topologia e meio de transmissão, sendo um fator importante também em alguns tipos de protocolo.

O ambiente de operação influencia também na escolha do meio de transmissão e topologia. Ambientes ruidosos e com problemas de segurança têm requisitos mais fortes quanto a escolha. A ocorrência de erros devido a ruídos exigirá também dos protocolos mecanismos de detecção e recuperação, em alguns casos.

O número máximo de nós, a separação máxima e mínima entre nós e a taxa máxima de informação transmitidas também influenciam na escolha do meio de transmissão e da topologia da rede. Em alguns tipos de topologia a ligação ao meio de transmissão é outro fator limitante ao número de nós que uma rede pode suportar à separação máxima e mínima entre eles. A escolha do protocolo de acesso é também diretamente influenciada por estes fatores. Alguns protocolos, por exemplo, levam em conta a distância máxima entre nós para seu perfeito funcionamento.

A exigência de tempo de resposta máximo limitado bem como o tipo de tráfego exigido será de fundamental importância na escolha do protocolo de acesso. Para aplicações de controle de processos e outras aplicações em tempo real, a garantia de tempo de resposta limitado é uma característica desejável. Infelizmente, em qualquer aplicação existe sempre uma possibilidade de um erro de transmissão, que causará uma não limitação no tempo de resposta em qualquer caso. Em muitas aplicações entretanto, é importante que este problema não seja causado pelo tipo de protocolo utilizado.

O tráfego em geral varia desde rajadas de alguns poucos dados de grandes mensagens até quantidades volumosas de dados sendo transmitidos continuamente, como é o caso de algumas aplicações que exigem a comunicação a computador.

A confiabilidade exigida será fundamental tanto na escolha do meio de transmissão, quanto da topologia e protocolo de acesso.

O tipo de informação transmitida pode ser dados, vídeo e voz. Os diversos tipos de transmissão vão diferir em termos de freqüência, quantidade de informação transmitida, natureza analógica ou digital, requisitos de tempo real e de isenção de erros etc. Transmissão de dados entre dispositivos em geral deve ser isenta de erros requerendo retransmissão através da estrutura do protocolo, quando estes erros são detectados. Transmissão de voz e vídeo, em geral, devem ser efetivadas sem interrupção em tempo real e tem uma tolerância a erros, até certo ponto. Integração de tráfegos heterogêneos em um sistema comum é desejável por razões econômicas e pela simplicidade de operação. Integração vai oferecer a possibilidade de um compartilhamento dinâmico das facilidades de transmissão e de chaveamento, além de dar suporte as novas aplicações, tais como teleconferência, que requer acesso aos diferentes tipos de informação: voz, dados e vídeo. O tipo de informação transmitida será determinante na escolha do meio de transmissão e do protocolo à rede, podendo chegar ao ponto de exigir circuitos dedicados para comunicação ponto a ponto.

O tipo de interação entre dispositivos impõem diferentes requisitos à rede. Aplicações para comunicação computador/terminal são geralmente orientadas a transações com tráfego do tipo rajada. O envolvimento de operadores humanos exige um serviço do tipo conversacional com velocidade razoavelmente baixa. O objetivo maior desta aplicação é fornecer aos usuário de terminais geograficamente dispersos acesso a bancos de dados e a fonte computadora. Aplicações para comunicação computador/computador(transferências de arquivos, processamento distribuído, etc.) exigem velocidade de comunicação maiores, e possuem um tráfego mais intenso, algumas vezes regular.

2. Topologia

Conforme definido, Redes Locais constituem-se de um conjunto de estações(nós) interligadas por um sistema de comunicação. Este sistema se comporá de um arranjo topológico interligando os vários nós e de um conjunto de regras de forma a organizar a comunicação. Dentre as topologias mais usuais encontram-se a estrela, o anel e a barra comum.

2.1. Topologia em Estrela

Neste tipo de topologia cada nó é interligado a um nó central(mestre), através do qual todas as mensagens devem passar. Tal nó age, assim, como centro de controle da rede, interligando os demais nós(escravos) que usualmente podem se comunicar apenas com um outro nó de cada vez. Isto não impede que haja comunicações simultâneas, desde que as estações envolvidas sejam diferentes.

Várias redes em estrela operam em configurações onde o nó central tem tanto a função de gerência de comunicação como facilidades de processamento de dados. Em outras redes o nó central tem como única função o gerenciamente das comunicações.

Esta topologia não necessita de roteamento, uma vez que concentram todas as mensagens no nó central. O gerenciamento das comunicações por este nó pode ser por chaveamento de pacotes ou chaveamento de circuitos. No primeiro caso, pacotes são enviados do nó fonte para o nó central que o retransmite então ao nó de destino em momento apropriado. Já no caso de chaveamento de circuitos, o nó cantral, baseado em informações recebidas, estabelece uma conexão elétrica ou realizada por software, entre o nó fonte e nó de destino, conexão esta que existirá durante toda a conversação. Neste último caso, se já existir uma conexão ligando duas estações, nenhuma outra conexão pode ser extabelecida para estes nós. Redes de chaveamentos computadorizadas - CBX(“Computerized Branch Exchange”) - são exemplos deste último tipo de rede, onde a função de chaveamento é realizada por um PABX(“Privat Automatic Branch Exchange”).

OBS: As CBX’s são apropriadas tanto para o tráfego de voz quanto para o de dados entre terminais e terminais e computadores.

Como mencionado, nó central pode realizar funções além das de chaveamento e processamento normal. Por exemplo, o nó central pode realizar a compatibilidade da velocidade de comunicação entre o transmissor e o receptor. Os dispositivos fonte e destino podem até operar com protocolos e/ou conjunto de caracteres diferentes. O nó central atuaria neste caso como um conversor de protocolos permitindo a um sistema de um fabricante trabalhar satisfatoriamente com um outro sistema de um outro fabricante. Poderia ser também função do nó central fornecer algum grau de proteção de forma a impedir pessoas não autorizadas de utilizar a rede ou ter acesso a determinados sistemas de computação. Outras, como operações de diagnósticos de rede, por exemplo, poderiam também fazer parte dos serviços realizados pelo nó mestre.

A configuração em estrela é em alguns aspectos parecida com os sistemas de barra comum centralizados os requisitos de comunicação são entretanto menos limitados, uma vez que a estrela permiti mais de uma comunicação simultânea. A confiabilidade das ligações também é maior, pois uma falha na barra de comunicação em uma estrela só colocaria a estação escrava correspondente fora de operação. Por outro lado, o nó central é mais complexo, uma vez que deve controlar vários caminhos de comunicação concorrentemente.

Confiabilidade é um problema nas redes em estrela. Falhas em um nó escarvo apresentam um problema mínimo de confiabilidade, uma vez que o restante da rede ainda continua em funcionamento. Falhas no nó central, por outro lado, podem ocasionar a parada total do sistema. Redundâncias podem ser acrescentadas, porém as dificuldades de custo em tornar o nó central confiável pode mais do que mascarar o benefício obtido com a simplicidade das interfaces exigidas pelas estações secundárias.

Outro problema da rede em estrela é relativo a modularidade. A configuração pode ser expandida até um certo limite imposto pelo nó central: em termos de capacidade de chaveamento, números de circuitos concorrentes que podem ser gerenciados e número total de nós que podem ser servidos. Embora não seja freqüentemente encontrado é possível a utilização de diferentes meios de transmissão para ligação de nós escravos ao nó central.

O desempenho obtido em uma rede em estrela depende da quantidade de tempo requerido pelo nó central para processar e encaminhar uma mensagem, e da carga de tráfego na conexão, isto é, o desempenho é limitado pelo capacidade de processamento do nó central. Um crescimento modular visando o aumento do desempenho torna-se a partir de certo ponto impossível, tendo como única solução a substituição do nó central.

2.2. Topologia em Anel

Uma rede em anel consiste de estações conectadas através de um caminho fechado, evitando os problemas de confiabilidade de uma rede em estrela. O anel não interliga as estações diretamente, mas consiste de uma série de repetidores ligados por um meio físico, sendo cada estação ligada a estes repetidores.

Redes em anel são capazes de transmitir e receber dados em qualquer direção. As configurações mais usuais, no entanto, são unidirecionais o projeto dos repetidores mais simples e tornar menos sofisticados os protocolos de comunicação que asseguram a entrega da mensagem corretamente e em seqüência ao destino, pois sendo unidirecionais evita o problema do roteamento. Os repetidores são em geral projetados de forma a transmitir e receber dados simultaneamente, diminuindo assim o retardo de transmissão e assegurando um funcionamento do tipo “full-duplex”.

Quando uma mensagem é enviada por um nó, ela entra no anel e circula até ser retirada pelo de nó de destino, ou então até voltar ao nó fonte, dependendo do protocolo empregado.

Os maiores problemas com topologia em anel são sua vulnerabilidade a erros e pouca tolerância a falhas. Qualquer que seja o controle de acesso empregado, ele pode ser perdido por problemas de falhas e pode ser difícil determinar com certeza se este controle foi perdido ou decidir qual nó deve recriá-lo. Erros de transmissão e processamento podem fazer com que uma mensagem continue eternamente a circular no anel.

A topologia em anel requer que cada nó seja capaz de remover seletivamente mensagens da rede ou passá-las à frente para o próximo nó. Isto vai requerer um repetidor ativo em cada nó e a rede não poderá ser mais confiável do que estes repetidores. Uma quebra em qualquer dos enlaces entre os repetidores irá parar toda a rede até que problema seja isolado e um novo cabo instalado. Falhas no repetidor ativo também podem causar a parada total do sistema.

Uma outra solução seria considerar a rede local como consistindo de vários anéis, e o conjunto dos anéis conectados por uma ponte(“bridge”). Esta encaminha os pacotes de dados de uma sub-rede a outra com base nas informações de endereçamento do pacote. Do ponto de vista físico, cada anel operaria independentemente.

A modularidade de uma rede em anel é bastante elevada devido ao fato de os repetidores ativos regenerarem as mensagens. Redes em anel podem atingir grandes distâncias(teoricamente o infinito). Existe, no entanto, uma limitação prática do número de estações em um anel. Este limite é devido aos problemas de manutenção e confiabilidade citados anteriormente e ao retardo cumulativo do grande número de repetidores.

Por serem geralmente unidirecionais, redes com esta topologia são ideais para utilização de fibra ótica. Existem algumas redes que combinam seções de diferentes meios de transmissão sem nenhum problema, como é o caso do ANEL DE CAMBRIDGE.

2.3. Topologia em Barra

Topologia em barra comum se caracteriza pela ligação de estações (nós) ao mesmo meio de transmissão. A barra é geralmente compartilhada no tempo ou na freqüência, permitindo a transmissão de informação. Ao contrário das outras topologias que são configurações ponto a ponto (isto é, cada enlace físico de transmissão conecta apenas dois dispositivos), a topologia em barra tem uma configuração multiponto (isto é, mais do que dois dispositivos estão conectados ao meio de comunicação).



Nas redes em barra comum cada nó conectado à barra pode ouvir todas as informações transmitidas.

Existe uma variedade de mecanismos para o controle de acesso à barra, que pode ser centralizado ou descentralizado. A técnica adotada para cada acesso à rede (ou a banda de freqüência de rede no caso de redes em banda larga) é a multiplexação no tempo. Em um controle centralizado, o direito de acesso é determinado por uma estação especial da rede. Em um ambiente de controle descentralizado, a responsabilidade é distribuída entre todos os nós.

Diferente da topologia em anel, toplogias em barra podem empregar interfaces passivas, nas quais falhas não causam a parada total do sistema. A confiabilidade deste tipo de topologia vai depender em muito da estratégia de controle. O controle centralizado oferece os mesmos problemas de confiabilidade de uma rede em estrela, com atenuante de que, aqui a redundância de um nó pode ser outro nó comum da rede. Mecanismos de controle descentralizados semelhantes aos empregados na topologia em anel podem também ser empregados neste tipo de topologia, acarretando os mesmos problemas quanto a detecção da perda do controle e sua recriação.

A ligação ao meio de transmissão é um ponto crítico no projeto de uma rede local em barra comum. A ligação deve ser feita de forma a alterar o mínimo possível as caracterícas elétricas do meio. O meio por sua vez deve terminar em seus dois extremos por uma carga igual a sua impedância característica, de forma a evitar reflexões exporias que interfiram com o sinal transmitido. O poder de crescimento, tanto no que diz respeito a distância máxima entre dois nós da rede quanto ao número de nós que a rede pode suportar, vai depender do meio de transmissão utilizado, da taxa de transmissão e da quantidade das ligações ao meio. Conforme se queira chegar a distâncias maiores que a máxima permitida em segmento de cabo, repetidores serão necessários para assegurar a qualidade do sinal. Tais repetidores, por serem ativos, apresentam um ponto de possível diminuição da confiabilidade da rede.

O desempenho de um sistema em barra comum é determinado pelo maio de transmissão, número de nós conectados, controle de acesso, tipo de tráfego e outros fatores. Por empregar enterfaces passivas, a inexistência de armazenamento local de mensagens e a inexistência de retardos no repetidor não vão degradar o tempo de resposta, que contudo, pode ser altamente dependente do protocolo de acesso utilizado.

2.4. Outras Topologias

Dentre ouras topologias ainda podemos citar as topologias em árvore e a estrutura de grafos ou parcialmente ligadas.

A topologia em árvore é essencialmente uma série de barras interconectadas. Geralmente existe uma barra central onde outros ramos menores se conectam. Esta ligação é realizada através de derivadores e as conexões das estações realizadas do mesmo modo que no sistema de barra padrão.

Cuidados adicionais devem ser tomados nas redes em árvores, pois cada ramificação significa que o sinal deverá se propagar por dois caminhos diferente. A menos que estes caminhos estejam perfeitamente casados, os sinais terão velocidades de propagação diferentes e refletirão os sinais de diferente maneiras. Em geral, redes em árvore, vão trabalhar com taxa de transmissão menores do que as redes em barra comum, por estes motivos.

A topologia mais geral de redes locais é a estrutura de grafos. Desta derivam as redes completamente ligadas, as redes parcialmente ligadas, em estrela e as redes em anel.

Redes interligadas ponto a ponto crescem em complexidade com o aumento do número de estações conectadas. Neste sistemas não é necessário que cada estação esteja ligada a todas as outras (sistemas completamente ligados). Devido ao custo das ligações é mais comum o uso de sistemas parcialmente ligados baseados em chaveamento de circuitos de mensagens ou de pacotes. O arranjo das ligações são normalmente baseados no tráfego da rede. A generalidade introduzida neste tipo de topologia visa a otimização do custo do meio de transmissão. Devido a isto tal topologia é normalmente empregada em redes de longas distância (geograficamente distribuídas).

Em redes locais meios de transmissão de alta velocidade e privados podem ser utilizados, pois têm um custo baixo, devido as limitações das distâncias impostas. Tal topologia não tem tanta aplicação neste caso, por introduzir mecanismos complexos de decisões de roteamento em cada nó da rede, causado por sua generalidade. Tais mecanismos iriam introduzir um custo adicional nas interfaces de rede que tornariam seu uso proibitivo quando comparado com o custo das estações.

Estruturas parcialmente ligas têm o mesmo problema de confiabilidade das estruturas em anel. O problema , no entanto, é aqui atenuado devido a existência de caminhos alternativos em caso de falha de um repetidor. A modularidade desta topologia é boa desde que os dois ou mais nós com os quais um novo nó a ser incluído se ligaria possam suportar o aumento do carregamento.